计算机仿真技术作业四 Buck电路的设计与仿真

——计算机仿真技术作业四

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一、Buck电路设计

【实验要求】

设计一个降压变换器，输入电压为20V，输出电压5V，要求纹波电压为输出电压的0.5％，负载电阻10Ω，求 工作频率分别为10kHz和50kHz时所需的电感、电容。比较说明不同开关频率下，无源器件的选择。

1、符号定义：

为了计算和分析的方便，下面定义主要的电路参量的符号并赋值。

输入电压为，输出电压为。

理论计算的占空比为

，

纹波电压百分数为

。

开关频率为或。

电感：，电容：，电阻：。

输出电流为

。

2、：

假设当负载电流为时，电感电流出现连续与不连续的临界状态。此时，电感电流的平均值为。那么，由电感的充电过程可得

。

其中，为开关管在每个周期中导通的时间，为电感电流的波动。

故而，

。

将电容视为一个理想的器件（即不考虑其寄生电阻），则由其充放电过程[1]可知

。

若考虑ESR，则。

本仿真实验选择第一个参数，即。

3、：

同理，可得

，（理想电容），（实际电容）。

4、比较：

通过比较，可知：开关频率越大，所设计的电感值便越小，电容值越小（若对于实际电容，则电容值不变）。

对于上述结论，可以这样定性地认识：

开关频率越大，电路对电感的充放电速度越快，电感电流的波动越小，所以在保持电感电流连续的前提下，所设计电感值可以相对较小。同样地，由于开关频率越大、电感电流的波动越小，用于滤波的电容的值可以相对较小。

二、Buck电路仿真

【实验要求】

利用simpowersystems中的模块建立所设计降压变换器的仿真电路。输入电压为20V的直流电压源，开关管选MOSFET模块(参数默认)，用Pulse Generator模块产生脉冲驱动开关管。分别做两 种开关频率下的仿真。

(1)使用理论计算的占空比，记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，计算稳态直流纹波电压，并与理式比较，验证设计指标。

(2)画出电感电流波形，计算电流波动值并与理式对比。

(3)修改占空比，观察直流电压值的变化。

(4)将电感改为临界电感值的一半，运行仿真模型(只仿真开关频率10kHz时的情况，使用理论计算的占空比)：记录电感电流波形，观察不连续电流的波形；记录直流电压波形，计算稳态直流电压值，与理式对比，并与同一占空比下电流连续时的直流电压值进行比较；计算稳态直流纹波电压，并与理式比较（需根据电流波形计算D2的大小）。

1、仿真模型：

利用Simulink搭建出来的模型如下图所示：

图1

图中，，，。

另外，仿真算法选择ode15s，仿对误差为，仿真时间为0.05s。

占空比D=0.25

一、工作频率分别为10kHz，

(1)直流电压Vo=5.003V

(2)电感电流波形

当f=10KHZ时理论分析：占空比D=0.25时，由电力电子所学知识可知，当开关闭合时，,此时由,可以知在这段时间内，电感电流线性增加。当开关断开时，,则这段时间内电感电流线性减小，同时经过一个周期，有。同时易知= ()=  *15=0.833A

当f=10KHz时由上图中标记得到了,  ,  =0.869A,实际值与理论值0.833A相比相差很小。

(3)修改占空比，观察直流电压值的变化

(4)电感L=1.875x10-4H

电感电流波形

稳态直流电压值Vo=6.9V

a.理论值计算：

由上图的标记的点知，所以0.5，又,因此所得

b. 理论值计算：

    =1.787A,  =

c. 理论值计算：

=1.875*s

=3.125*s

则有.( )=0.06697V

二、工作频率分别为50kHz，

(1)直流电压Vo=5.137V

(2)电感电流波形

当f=50KHz时，理论计算= ()=  *15=0.833A, 当f=10KHz时由上图中标记得到了,  ,  =0.839A,与理论值0.833A相比相差很小。

(3)修改占空比，观察直流电压值的变化

【参考文献】

［1］Ned Mohan，Tore M. Vndeland，William P. Robbbins. Power Electronic: Converters, Applications, And Design［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［2］马莉. MATLAB语言实用教程［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［3］洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模和仿真［M］.北京：机械工业出版社，2013.